專利名稱：光電子傾斜度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分所述的光電子傾斜度傳感器，用于確定參考平面相對(duì)水平狀態(tài)的傾斜度，尤其是用于同時(shí)檢測(cè)關(guān)于兩個(gè)軸線的傾斜度。
背景技術(shù)：
類屬的光學(xué)傾斜度傳感器包括以液體部分填充的傳感器本體，其中，液體層提供了光學(xué)界面(例如在液體和空氣之間)，該光學(xué)界面形成水平面。在傳感器本體上例如構(gòu)造參考平面為底部面，該參考平面的傾斜度要被確定。此外，設(shè)置有用于發(fā)射穿透液體的并且指向到界面上的光輻射的光源。用于探測(cè)由界面反射的光輻射的光學(xué)傳感器面布置在傳感器本體內(nèi)部或布置在傳感器本體之外。最后，設(shè)置有分析単元用于依賴于通過光學(xué)傳感器面接收的光量來確定平面的傾斜度。
DE 19819610C1描述了ー種光學(xué)傾斜度測(cè)量?jī)x，其中殼體填充以透明液體，該透明液體依賴于傾斜度地改變了光學(xué)輻射束的方向。設(shè)置有用于結(jié)構(gòu)照明的或用于產(chǎn)生光點(diǎn)的光源，該光源使光輻射以如下方式指向到液體-空氣界面上，即，該光輻射的反射入射到傳感器面上并且在那里被探測(cè)。用于使結(jié)構(gòu)或光點(diǎn)或光斑成像的光學(xué)器件布置在殼體的底部的下側(cè)上或者是該底部的組成部分。此外，該光學(xué)器件由卩隹ー的I禹合輸入和I禹合輸出光的并且對(duì)結(jié)構(gòu)或光點(diǎn)進(jìn)行成像的元件形成。DE 202007002771U1描述了ー種雙軸式的光學(xué)傾斜度測(cè)量?jī)x，其具有作為射束源的LED ;帶有構(gòu)造了水平面的液體的殼體；用于接收射束的傳感器；以及光學(xué)器件，其具有用于將射束成像在傳感器上的光路。此外，該設(shè)備包括用于根據(jù)由傳感器發(fā)出的信號(hào)來確定傾斜度的分析単元。光學(xué)器件將標(biāo)記在傳感器上以如下方式成像，即，根據(jù)標(biāo)記在傳感器上的狀態(tài)可以確定在兩個(gè)正交的軸線上的傾斜度。射束應(yīng)在反射時(shí)在液體水平面上基本上垂直地被反射。在光輻射在液體水平面上垂直入射到界面上的情況下能期望的是，光的大部分并不反射而是在界面上或強(qiáng)或弱地經(jīng)折射地出射。FR 2868834B1描述了ー種雙軸式的傾斜度傳感器，其包括區(qū)段地球形成型的傳感器本體，在該傳感器本體中布置有構(gòu)造了水平面的液體。傳感器本體在其旋轉(zhuǎn)軸線處具有光輻射源，該光輻射源將環(huán)形光輻射引導(dǎo)到液體表面上。該環(huán)形光輻射在表面上被反射并且借助傳感器來探測(cè)。傳感器布置在傳感器本體之外。該傳感器本體包括四個(gè)窗ロ，被反射的光輻射通過這四個(gè)窗ロ可以入射到傳感器上。這些窗ロ要么設(shè)置在傳感器本體的下側(cè)上要么設(shè)置在球形殼面上。傳感器在此體現(xiàn)北-南軸線或者說東-西軸線。同樣已知了帶有水準(zhǔn)儀的傾斜度測(cè)量器。針對(duì)ニ維測(cè)量使用了圓水準(zhǔn)儀。具有這種圓水準(zhǔn)儀的傾斜度傳感器例如在DE 102005056736B4中予以描述。為了在圓水準(zhǔn)儀的情況下以電子方式獲知傾斜度，在蓋玻璃之上布置有輻射器接收器組件，其中，由輻射器發(fā)出的光在蓋玻璃-空氣泡界面上在居中的空氣泡的情況下至少部分被全反射。該水準(zhǔn)儀傳感器的缺點(diǎn)尤其在于，水準(zhǔn)儀貼靠的表面以確定的半徑彎曲。曲率在此與對(duì)水準(zhǔn)儀的靈敏度的要求適配并且通過磨削來制造，這以一定規(guī)格使表面粗化，由此氣體泡會(huì)易于跳動(dòng)并且影響傳感器的精度?；跉怏w泡的形狀和蓋玻璃的曲率而得到傳感器的非線性的特征曲線。此外，氣體泡的大小依賴于傳感器的溫度，這不利地影響到這種傳感器的使用領(lǐng)域。由雜志“Technisches Messen”(第75期,2008年)公開了基于激光器的福射器接收器組件，其具有用于測(cè)量散射光的整合的微光學(xué)裝置。該輻射器接收器組件以方形的硅襯底形式實(shí)現(xiàn)，在該硅襯底中引入旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光電ニ極管部段。這些光電ニ極管部段圍繞激光器處在其中的中央深刻蝕部。在硅襯底上施布有間隔介質(zhì)，該間隔介質(zhì)由對(duì)于激光的波長(zhǎng)而言非透射的玻璃制成。在激光器和光電ニ極管上，間隔保持器設(shè)有穿通部。這樣，源和接收器彼此光學(xué)上被隔離。在穿通部的中央?yún)^(qū)域中安置有微光學(xué)裝置。通過光學(xué)裝置承載件來使傳感器完備。該光學(xué)裝置承載件一方面由化學(xué)上耐受的材料制成的承載件構(gòu)成。另ー方面，在該承載件的下側(cè)上施布有不透光的并且可結(jié)構(gòu)化的光闌。在光闌結(jié)構(gòu)上存在微光學(xué)裝置。該微光學(xué)裝置具有環(huán)的形狀，該環(huán)具有徑向?qū)ΨQ的非球形橫截面(環(huán)形透鏡) 。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)是提出一種基于形成水平面的液體的光電子傾斜度傳感器，該光電子傾斜度傳感器允許了精確地探測(cè)參考平面相對(duì)水平面的傾斜度，優(yōu)選參考兩條明確限定參考平面的狀態(tài)的軸線。該傾斜度傳感器應(yīng)相對(duì)周圍影響是魯棒性的并且可以相對(duì)低消耗地制造。該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求I的特征的傾斜度傳感器來解決。用于確定參考平面相對(duì)水平狀態(tài)的傾斜度的傾斜度傳感器首先以已知的方式包括以液體部分地填充的傳感器本體，該傳感器本體在其內(nèi)部具有形成水平面的光學(xué)界面(例如在液體和空氣之間)。在傳感器本體的表面上構(gòu)造有參考平面，該參考平面的傾斜度應(yīng)被確定。此外，傳感器包括至少ー個(gè)光源，用于將光輻射穿過液體地發(fā)射到界面上。用于探測(cè)由界面反射的光輻射的光學(xué)傳感器面布置在傳感器本體內(nèi)部。分析単元依賴于通過光學(xué)傳感器面接收的光量來確定參考平面的傾斜度。根據(jù)本發(fā)明，在光源與液體之間設(shè)置有偏轉(zhuǎn)元件，在穿過液體之后發(fā)生在光學(xué)界面上的第二次全反射之前，光輻射通過該偏轉(zhuǎn)元件第一次被全反射。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)尤其如下地可看到，S卩，通過將光輻射面式地入射到界面上保證了近似完全的全反射。由于在界面上的散射或折射僅有非常少量的光損失，從而使得輻射器接收器組件可以價(jià)格低廉地制造。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施形式中，將光輻射形成為環(huán)形光輻射。光輻射源優(yōu)選包括環(huán)形透鏡和/或呈環(huán)形的光闌用于形成光輻射。在合乎目的的實(shí)施形式中，光源布置在硅襯底的腔體中并且垂直于傳感器的平面取向。該設(shè)計(jì)方案可以利用可容易地操作的制造方法來價(jià)格低廉地產(chǎn)生。在有利的實(shí)施變形方案中，光學(xué)傳感器面通過至少兩個(gè)光電ニ極管形成，這兩個(gè)光電ニ極管與光源一起布置在硅襯底上。通過合適的エ藝步驟可以將全部有源部件直接構(gòu)造在承載件襯底上。該至少兩個(gè)光電ニ極管在此正對(duì)面地布置在光源左側(cè)和右側(cè)。在參考平面沒有傾斜的情況下，這兩個(gè)光電ニ極管所探測(cè)的光量基本上相等，而在存在傾斜的情況下在光電ニ極管上光量相反地改變。在特別優(yōu)選的實(shí)施形式中，光學(xué)傳感器表面通過大量呈部段形的光電ニ極管形成，這些光電ニ極管圍繞光源同心地布置。在此，各兩個(gè)正對(duì)面地布置的光電ニ極管形成了提供傳感器信號(hào)的一対。兩個(gè)光電流之差可以被用作信號(hào)。用于制造第一全反射的偏轉(zhuǎn)元件在使用環(huán)形光輻射的情況下優(yōu)選呈截錐體形地實(shí)施并且伴隨著光源居中地布置，其中，截錐體的指向光源的頂面具有小于環(huán)形輻射的直徑的直徑，并且截錐體的指向液體層的底面具有大于環(huán)形輻射的直徑的直徑，從而使得環(huán)形輻射完全在偏轉(zhuǎn)元件的殼面上朝著界面方向被反射。截錐體的角度在此被如下地選擇，即，從而使得根據(jù)所使用的介質(zhì)的不同達(dá)到至少ー個(gè)根據(jù)斯涅耳折射定理獲知的臨界角作為光輻射的入射角。偏轉(zhuǎn)元件在優(yōu)選的實(shí)施形式中形成為在透光的層中的腔體。透光的層在此優(yōu)選由丙烯酸玻璃制造。在透光的層的上側(cè)上，偏轉(zhuǎn)元件通過加深部設(shè)有截錐體的形狀。在該透光的層上在傳感器中現(xiàn)在布置有液體，其中，液體也填滿在透光的層中的加深部。在另外的優(yōu)選的實(shí)施形式中，在透光的層中的腔體填充以氣體或設(shè)有真空。這可以以如下方式發(fā)生，即，薄的玻璃板例如粘合到透光的層上。在該板上于是可以布置任意的 液體?；趯拥囊约耙烟峒暗牟牧系慕Y(jié)構(gòu)化的可能性，傳感器可以完整地構(gòu)建在ー個(gè)晶片上，從而使得可以制造特別小的并且輕的傳感器。


以下參照附圖更為詳細(xì)地闡述了本發(fā)明及其細(xì)節(jié)。其中圖I:在橫截面層模型中示出根據(jù)本發(fā)明的具有經(jīng)液體填充的偏轉(zhuǎn)元件的傾斜度傳感器的第一實(shí)施形式；圖2 :在參考平面的水平狀態(tài)中示出在y_z平面中的光路；圖3 :示出光學(xué)傳感器面的實(shí)施形式；圖4:示出根據(jù)本發(fā)明的具有經(jīng)氣體填充的偏轉(zhuǎn)元件的傳感器的第二實(shí)施形式；圖5 :示出在光學(xué)傳感器面上所檢測(cè)的光量的分布。
具體實(shí)施例方式圖I以橫截面層模型示出了根據(jù)本發(fā)明的傾斜度傳感器的第一實(shí)施形式的示例性結(jié)構(gòu)。該傳感器包括具有用于形成環(huán)形光輻射的整合的微光學(xué)裝置的光電子輻射器接收器組件01。輻射器接收器組件由硅襯底制造。在硅襯底的中央引入腔體。在該腔體中作為光源布置有豎直發(fā)射的激光器02。關(guān)于激光器02正對(duì)面地布置有第一光電ニ極管03和第ニ光電ニ極管04。在輻射器接收器組件01的下側(cè)上構(gòu)造有參考平面06，該參考平面相對(duì)于水平面的傾斜度可以通過傾斜度傳感器來確定。為此，具有參考平面06的傾斜度傳感器被放置或牢固安裝到待測(cè)量的面或平面上。傳感器的傾斜度于是對(duì)應(yīng)于待測(cè)量的面的傾斜度。在輻射器接收器組件01之上構(gòu)造有光學(xué)上透明的、優(yōu)選由B0R0FL0AT制成的蓋層07。B0R0FL0AT是ー種硼硅酸鹽玻璃，具有突出的光學(xué)特性。蓋層07首先用于保護(hù)輻射器接收器組件01和成形所期望的環(huán)形光輻射，其方式是環(huán)形透鏡05構(gòu)造為在蓋層07的下側(cè)上的微光學(xué)裝置并且伸入腔體中。此外，在蓋層07的下側(cè)上可以設(shè)置有不透光的和可結(jié)構(gòu)化的光闌，和用于進(jìn)一歩形成環(huán)形光輻射的和用于光學(xué)上分離發(fā)射器和接收器的透鏡。但是，蓋層07的特種玻璃也在化學(xué)上是耐受的。因此突出地適于如下，即，將不同的液體使用在傾斜度傳感器中或者說在光學(xué)上耦合另外的層。在透光的蓋層07之上設(shè)置有優(yōu)選由丙烯酸玻璃制成的其他透光的偏轉(zhuǎn)層08。在該透光的偏轉(zhuǎn)層08中設(shè)置有偏轉(zhuǎn)元件09，其構(gòu)造為例如在透光的偏轉(zhuǎn)層08中的呈截錐體形的腔體。在修改過的實(shí)施形式中，蓋層07和偏轉(zhuǎn)層08可以一體式地構(gòu)造。在偏轉(zhuǎn)層08之上有液體11，該液體構(gòu)造了例如相對(duì)空氣層13的光學(xué)界面12。液體11可以布置在容器中，該容器加工為在偏轉(zhuǎn)層08中的面式加深部?？諝鈱?3可以通過氣體、通過真空或通過其他的不能與第一液體11混合的液體形成。在此重要的是，由于不同的折射率在液體11的表面上存在光學(xué)界面12，該界面基于重力即使在傳感器的傾斜度的情況下也保持其水平取向的狀態(tài)。這里所示的傳感器例如利用作為液體11的水和由此得到的折射率起作用。但也可以使用另外的液體，例如通過較高的粘性在傾動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)阻尼(為此參見圖4)。 傾斜度傳感器在這些圖中以水平狀態(tài)示出，從而使得參考平面06和界面12平行。在圖I中說明了示例值，以便表示在Z方向上的各個(gè)層的厚度(所有說明以毫米為単位)。在圖2中示出了在圖I中所示的處于水平狀態(tài)的傳感器中的典型光路。由激光器02發(fā)射的并且通過微光學(xué)裝置形成的環(huán)形光輻射14在過渡到透光的蓋層08中之后兩次全反射。第一全反射在偏轉(zhuǎn)元件09的殼面上發(fā)生(界面偏轉(zhuǎn)元件09中的蓋層08-液體
11)。第二全反射在界面12 (液體11 -空氣13)上發(fā)生。在第二全反射之后，被反射的射束14’到達(dá)光電ニ極管03、04或者說到達(dá)在輻射器接收器單元01中的吸收性底部的另外的區(qū)域。如果傳感器被傾斜，則液體表面改變其相對(duì)偏轉(zhuǎn)元件09上的第一全反射的面的狀態(tài)或者說相對(duì)參考平面06的狀態(tài)。得到如下測(cè)量效應(yīng)這兩個(gè)光電ニ極管03、04的光電流以相反的數(shù)值失去平衡。這兩個(gè)光電流之差可以用作傳感器信號(hào)。應(yīng)指出的是，在經(jīng)修改的實(shí)施形式中第一全反射可以通過光學(xué)衍射或折射替代，以便以如下方式調(diào)節(jié)光輻射到界面12上的入射角度在傳感器的所有運(yùn)行狀態(tài)下在那里確保全反射。例如，這可以利用整合到輻射器接收器單元01的微光學(xué)裝置中的偏轉(zhuǎn)單元來實(shí)現(xiàn)。然而使用空間上下沉的偏轉(zhuǎn)元件允許了特別扁平的結(jié)構(gòu)方式并且在Y方向上允許了傳感器的小的延展。圖3示出了兩個(gè)在正對(duì)面布置的傳感器元件03和04的示例性實(shí)施形式。傳感器元件03和04呈圓扇段形地構(gòu)造。這兩個(gè)傳感器元件03、04的布局這樣地來選擇，從而使得這些部段的外半徑大致對(duì)應(yīng)于環(huán)形光輻射的最大照射強(qiáng)度的半徑。圖4示出了傳感器的修改過的實(shí)施形式，其中可以使用從折射率來看任意的液體。為此，在偏轉(zhuǎn)元件09內(nèi)部的容積填充以氣體或設(shè)有真空。為此，例如將薄玻璃板16粘合到偏轉(zhuǎn)層08上。在該玻璃板16之上于是可以填入任意的液體。在這里所示出的圖示中未繪出液體。圖4中的光路14示出，在玻璃板16與空氣層13之間的界面12’處出現(xiàn)全反射。因此，該玻璃板可以以任意液體覆蓋，于是出現(xiàn)在液體表面上的全反射和出現(xiàn)所追求的測(cè)量效應(yīng)。探測(cè)器03、04的水平狀態(tài)必須與液體的折射率和填充液位高度適配。液體的特性如膨脹系數(shù)、凝固點(diǎn)、溫度相關(guān)性、折射率、蒸汽壓、粘性、吸收系數(shù)、老化等等必須予以考慮并且與傳感器的各自的使用目的相協(xié)調(diào)。
圖5示出了在從0°到O. 3°的傾斜度角度范圍上的、在傳感器元件03、04上的光學(xué)功率的分布。在此，針對(duì)關(guān)于軸線的傾斜度的傳感器特征曲線被記錄。照射強(qiáng)度分布在探測(cè)器的平面中示出。在此，該分布的下部曲線示出了在探測(cè)器03上的光學(xué)功率，而該分布的上部特征曲線示出了在探測(cè)器04上的光學(xué)功率。面06的傾斜在此與時(shí)針方向相反地進(jìn)行。激光器發(fā)射出ImW的光學(xué)功率。在平衡的狀態(tài)中，這兩個(gè)探測(cè)器中的每個(gè)接收大約61. 4 μ W的光學(xué)功率。這在O. 6A/W的靈敏度的情況下對(duì)應(yīng)于36. 84 μ A的光電流。原理上，探測(cè)器03和04的光電流之差被建議作為傳感器信號(hào)。應(yīng)記住的是，利用該傳感器可以確定關(guān)于參考平面06的兩個(gè)軸線的傾斜度，尤其是通過使用其他的、扭轉(zhuǎn)90°布置的探測(cè)器。附圖標(biāo)記列表01 輻射器接收器單元02 豎直發(fā)射的激光器/光源03 第一光電ニ極管 04 第二光電ニ極管05 環(huán)形透鏡06 參考平面07 透光的蓋層08 透光的偏轉(zhuǎn)層09 偏轉(zhuǎn)元件10 -11 液體層12 界面13 空氣層14 環(huán)形光輻射15 -16 玻璃板
權(quán)利要求
1.光電子傾斜度傳感器，用于確定參考平面(06)相對(duì)水平面的傾斜度，包括 -帶有液體層(11)的傳感器本體，所述液體層的自由表面是能夠相對(duì)所述參考平面(06)傾動(dòng)的水平面并且形成相對(duì)鄰接的介質(zhì)的光學(xué)的界面(12)； -至少一個(gè)布置在所述液體層(11)之下的光源(02 )，用于將光輻射(14 )穿過所述液體層(11)地發(fā)射到所述界面(12 )上； -至少一個(gè)光學(xué)傳感器面(03、04)，用于探測(cè)由所述界面(12)所反射的光輻射(14’)，所述至少一個(gè)光學(xué)傳感器面布置在所述液體層(I I)之下；以及 -分析單元，用于依賴于通過所述光學(xué)傳感器面(03、04)接收的光量來確定所述參考平面(06)的傾斜度； 其特征在于，在所述光源(02)與所述液體層(11)之間布置有用于使所述光輻射(14)偏轉(zhuǎn)或進(jìn)行第一全反射的偏轉(zhuǎn)元件(09)，從而使得所述光輻射(14)由于所述偏轉(zhuǎn)或第一全反射而相對(duì)所述界面(12)以如下方式傾斜，即，不僅在傾斜的狀態(tài)中而且在不傾斜的狀態(tài)中在所述界面(12)上均出現(xiàn)第二全反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述光輻射成形為環(huán)形光輻射(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述光源(02)包括環(huán)形透鏡和/或呈環(huán)形的光闌用于成形所述光輻射(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述光源(02)布置在硅襯底的腔體中，以及以垂直于所述參考平面取向的輻射軸線發(fā)出光輻射(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4之一所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)傳感器面通過至少兩個(gè)光電二極管(03、04)形成，所述至少兩個(gè)光電二極管與所述光源(02) —起布置在硅襯底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述兩個(gè)光電二極管(03、04)所探測(cè)的光量在所述參考平面(06)沒有傾斜的情況下基本上相等，而在存在傾斜的情況下在所述光電二極管(03、04)中光量相反地改變。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)傳感器面通過大量呈部段形的光電二極管(03、04)形成，所述大量呈部段形的光電二極管繞所述光源(02)同心地布置，其中，各兩個(gè)正對(duì)面地布置的光電二極管(03、04)提供了傳感器信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7之一所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)元件(09)通過在透光的偏轉(zhuǎn)層(08 )中的腔體形成，所述偏轉(zhuǎn)層在所述光源(02 )與所述液體層(11)之間延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)元件(09)是呈截錐體形的，其中，所述截錐體的指向所述光源的頂面具有小于環(huán)形輻射(14)的直徑的直徑，而所述截錐體的指向所述液體層(11)的底面具有大于所述環(huán)形輻射(14)的直徑的直徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傾斜度傳感器，其特征在于，所述腔體以氣體、真空或液體、尤其是形成所述液體層(11)的液體填充。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定參考平面(06)相對(duì)水平面的傾斜度的光電子傾斜度傳感器。該傳感器包括帶有液體層(11)的傳感器本體，液體層的自由表面是能夠相對(duì)參考平面(06)傾動(dòng)的水平面并且形成相對(duì)鄰接的介質(zhì)的光學(xué)界面(12)。布置在液體層(11)之下的光源(02)將光輻射(14)穿過液體層(11)地發(fā)射到界面(12)上。布置在液體層(11)之下的光學(xué)傳感器面(03、04)探測(cè)由界面(12)反射的光輻射(14')。分析單元依賴于通過光學(xué)傳感器面(03、04)接收的光量來確定參考平面(06)的傾斜度。根據(jù)本發(fā)明，在光源(02)與液體層(11)之間布置有用于使光輻射(14)偏轉(zhuǎn)或進(jìn)行第一全反射的偏轉(zhuǎn)元件(09)，從而使得光輻射(14)由于偏轉(zhuǎn)或第一全反射而相對(duì)界面(12)以如下方式傾斜，即，不僅在傾斜的狀態(tài)中而且在不傾斜的狀態(tài)中在界面(12)上均出現(xiàn)第二全反射。
文檔編號(hào)G01C9/06GK102822624SQ201180017519
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者拉爾夫·米勒 申請(qǐng)人:賽多利斯稱量技術(shù)有限責(zé)任公司